Sådan udføres et videnskabseksperiment: 13 trin (med billeder)

Eksperimentering er den metode, hvormed forskere tester naturlige fænomener i håb om at få ny viden.. Gode eksperimenter følger et logisk design for at isolere og teste specifikke, præcist definerede variabler. Ved at lære de grundlæggende principper bag eksperimentelt design, vil du kunne anvende disse principper til dine egne eksperimenter. Uanset deres anvendelsesområde fungerer alle gode eksperimenter i overensstemmelse med de logiske, deductive principper for den videnskabelige metode, fra femte-klasse kartoffelklikvidenskabelige projekter til banebrydende Higgs Boson Research Research.

Trin

Del 1 af 2:

Designe et videnskabeligt forsvarligt eksperiment

1. Vælg et bestemt emne. Eksperimenter, hvis resultater forårsager fejende videnskabelige paradigme skift er meget, meget sjældne. Langt de fleste eksperimenter svarer små, specifikke spørgsmål. Videnskabelig viden er bygget på akkumulering af data fra utallige eksperimenter. Vælg et emne eller et ubesvaret spørgsmål med et lille, testbart omfang. For at få ideer, kigge efter huller i den nuværende videnskabelige litteratur.

For eksempel, hvis du vil gøre et eksperiment på landbrugsgødning, skal du ikke søge at besvare spørgsmålet, "Hvilken slags gødning er bedst for voksende planter?" Der er mange forskellige typer gødning og mange forskellige slags planter i verden - et eksperiment vil ikke kunne tegne universelle konklusioner om enten. Et meget bedre spørgsmål til at designe et eksperiment rundt ville være "Hvilken koncentration af nitrogen i gødning producerer de største majsafgrøder?"
Moderne videnskabelig viden er meget, meget stor. Hvis du har til hensigt at gøre alvorlig videnskabelig forskning, skal du undersøge dit emne i vid udstrækning, før du selv begynder at planlægge dit eksperiment. Har tidligere eksperimenter besvaret det spørgsmål, du vil have dit eksperiment til at studere? Hvis det er tilfældet, er der en måde at justere dit emne på, så det adresserer spørgsmål, der er ubesvaret af eksisterende forskning?

Billedet med titlen Conduct a Science Experiment Trin 2

2. Isolér din variabel (er). Gode videnskabelige eksperimenter testspecifikke, målbare parametre kaldet variabler. Generelt udfører en videnskabsmand et eksperiment for en række værdier for den variable, han tester for. En afgørende bekymring, når du udfører et eksperiment, er at justere kun Den specifikke variabel (e) du tester for (og ingen andre variabler.)

For eksempel, i vores gødningseksperimenteksempel, ville vores videnskabsmand vokse flere majsafgrøder i jord suppleret med gødninger, hvis nitrogenkoncentration adskiller sig. Han ville give hver majs afgrøde eksakt samme mængde gødning. Han ville sørge for, at den kemiske sammensætning af hans anvendte gødning ikke varierede på en eller anden måde udover sin nitrogenkoncentration - for eksempel ville han ikke bruge en gødning med en højere koncentration af magnesium for en af hans majsafgrøder. Han ville også vokse det samme antal og arter af majsafgrøder på samme tid og i samme type jord i hver replikation af hans eksperiment.

Billedet med titlen Conduct a Science Experiment Trin 3

3. Lav en hypotese. En hypotese er i det væsentlige en forudsigelse af eksperimentets resultat. Det bør ikke være et blindt gæt - gode hypoteser informeres af baggrundsforskningen du udførte og / eller foreløbige data, du måske allerede har genereret i laboratoriet, når du vælger dit eksperiments emne. Basere din hypotese om resultaterne af lignende eksperimenter udført af jævnaldrende i dit felt, eller hvis du tackler et problem, der ikke er blevet undersøgt, baserer det på den kombination af litteraturforskning og optaget observation, du kan finde. Husk at på trods af dit bedste forskningsarbejde kan din hypotese meget vel ikke understøttes af dine resultater - i dette tilfælde har du stadig udvidet din viden i den forstand, at du har bevist, at din forudsigelse var ikke korrekt.

Typisk udtrykkes en hypotese som en kvantitativ erklærende sætning. En hypotese tager også højde for, hvordan de eksperimentelle parametre vil blive målt. En god hypotese for vores gødningseksempel er: "Kornafgrøder suppleret med 1 pund nitrogen pr. Bushel vil resultere i en større udbyttemasse end tilsvarende majsafgrøder dyrket med forskellige nitrogentilskud."

Billedet med titlen Conduct a Science Experiment Trin 4

4. Planlæg din dataindsamling. Ved på forhånd hvornår Du samler data og hvilken slags af data, du vil indsamle. Mål disse data på et bestemt tidspunkt eller i andre tilfælde med jævne mellemrum med jævne mellemrum. I vores gødningseksperiment må vi for eksempel måle vægten af vores majsafgrøder (i kilo) efter en fastsat voksende periode. Vi sammenligner dette med kvælstofindholdet i gødningen, hver afgrøde blev behandlet med. For andre eksperimenter (som dem, der måler ændringen i en bestemt variabel over tid), er det nødvendigt at indsamle data med jævne mellemrum.

Timing er utrolig vigtig, så hold dig til din plan så tæt som muligt. På den måde, hvis du ser ændringer i dine resultater, kan du udelukke forskellige tidsbegrænsninger som årsagen til ændringen.

At lave et datatabell på forhånd er en god ide - du vil blot kunne indsætte dine dataværdier i tabellen, når du optager dem.

Kend forskellen mellem dine afhængige og uafhængige variabler. En uafhængig variabel er en variabel, som du ændrer, og en afhængig variabel er den, der er berørt af den uafhængige variabel. I vores eksempel, "nitrogenindhold" er uafhængig variabel, og "Udbytte (i kg)" er afhængig variabel. Et grundlæggende bord vil have kolonner for begge variabler, da de ændrer sig over tid.

Billedet med titlen Conduct a Science Experiment Trin 5

5. Gennemfør dit eksperiment metodisk. Kør dig EXEXPERIM, test for din variabel. Dette kræver næsten altid, at du kører eksperimentet flere gange for flere variable værdier. I vores gødningseksempel vil vi vokse flere identiske majsafgrøder og supplere dem med gødningsmidler, der indeholder varierende mængder nitrogen. Generelt kan det bredere udvalg af data, du kan samle, jo bedre. Optag så mange data som muligt.

God eksperimentelt design inkorporerer, hvad der er kendt som en styring. En af dine eksperimentelle replikationer bør ikke Medtag den variable, du tester for overhovedet. I vores gødningseksempel indeholder vi en majsafgrøde, der modtager en gødning uden nitrogen i det. Dette vil være vores kontrol - det vil være basislinjen, som vi måler væksten i vores andre majsafgrøder.

Overhold alle sikkerhedsforanstaltninger, der er forbundet med farlige materialer eller processer i dit eksperiment.

Billedet med titlen Conduct a Science Experiment Trin 6

6. Indsamle dine data. Optag dine data direkte i dit bord, hvis det er muligt - det vil spare dig hovedpine for genindtastning og konsolidere data senere. Ved hvordan Vurdere outliers i dine data.

Det er altid en god ide at repræsentere dine data visuelt, hvis du kan. Plot datapunkter på en graf og udtrykkelige trends med en linje eller kurve af bedste pasform. Dette vil hjælpe dig (og andre, der ser grafen) visualiserer mønstre i dataene. For de fleste grundlæggende eksperimenter er den uafhængige variabel repræsenteret på den vandrette X-akse, og den afhængige variabel er på den lodrette Y-akse.

Billedet med titlen Conduct a Science Experiment Trin 7

7. Analyser dine data og kom til en konklusion. Var din hypotese korrekt? Var der observerbare tendenser i dataene? Stødte du på uventede data? Har du nogle ubesvarede spørgsmål, der kan danne grundlag for et fremtidigt eksperiment? Prøv at besvare disse spørgsmål, når du vurderer dine resultater. Hvis dine data ikke giver din hypotese en endelig "Ja" eller "ingen," Overvej at køre yderligere eksperimentelle forsøg og indsamle flere data, eller skrive dine resultater op med fremtidige retninger for yderligere forskning.

At dele dine resultater, Skriv et omfattende videnskabeligt papir. At vide, hvordan man skriver et videnskabeligt papir, er en nyttig færdighed - Resultaterne af den mest nye forskning skal skrives og offentliggøres i henhold til et bestemt format, der ofte dikteres af stilguiden for en relevant, peer-reviewed Academic Journal.

Del 2 af 2:

Kører et eksempeleksperiment

1. Vælg et emne og definer dine variabler. Med henblik på dette eksempel vil vi knuse et simpelt, småskala eksperiment. I vores eksperiment tester vi virkningerne af forskellige aerosolbrændstoffer på fyringsområdet OFA kartoffelpistol.

I dette tilfælde er typen af aerosolbrændstof vi bruger den uafhængige variabel (den variable vi ændrer), mens projektilet er den afhængig variabel.
Ting at overveje for dette eksperiment - er der en måde at sikre, at hvert kartoffelprojektil er den samme vægt? Er der en måde at administrere samme mængde af aerosolbrændstof til hver fyring? Begge disse kan potentielt påvirke rækken af pistolen. Væg hvert projektil på forhånd og brændstof hvert skud med samme mængde af aerosol spray.

Billedet med titlen Conduct a Science Experiment Trin 9

2. Lav en hypotese. Hvis vi tester hårspray, madlavning spray og spray maling, lad os sige, at hårsprayen har et aerosoldrivning med en højere mængde butan end de andre sprayer. Fordi vi ved, at butan er brandfarlig, kan vi hypotese, at hårsprayen vil producere en større fremdriftsstyrke, når de antændes, sende en kartoffelprojektil længere. Vi ville skrive vores hypotese som: "Det højere butanindhold i aerosoldrivningsmidlet i hårsprayen vil i gennemsnit producere et længere område, når der fyres en kartoffel projektil, der vejer mellem 250-300 gram."

Billedet med titlen Conduct a Science Experiment Trin 10

3. Organiser din dataindsamling på forhånd. I vores eksperiment tester vi hvert aerosolbrændstof 10 gange og gennemsnitlige resultaterne. Vi vil også teste et aerosolbrændstof, der ikke indeholder nogen butan som vores eksperimentelle kontrol. For at forberede os, samler vi vores kartoffelkanon, test det for at sikre, at det virker, køb vores aerosolspray og udskæring og vejer vores kartoffelprojektiler.

Lad os også oprette vores datatabord på forhånd. Vi har fem lodrette kolonner:

Den fjerneste venstre kolonne vil blive mærket "Prøve #." Cellerne i denne kolonne vil blot indeholde tallene 1-10, hvilket betyder hvert fyringsforsøg.

De følgende fire kolonner vil blive mærket med navnene på de aerosolsprayer, vi bruger i vores eksperiment. De ti celler under hver kolonneoverskrift vil indeholde området (i meter) af hvert fyringsforsøg.

Under de fire kolonner for hvert brændstof skal du forlade et rum til at skrive gennemsnitsværdien af intervallerne.

Billedet med titlen Conduct a Science Experiment Trin 11

4. Udføre eksperimentet. Vi vil bruge hver aerosol spray til at skyde ti projektiler, ved hjælp af samme mængde aerosol spray til brand hver projektil. Efter hver fyring vil vi bruge et lange målebånd til at måle det område, vores projektil rejste. Optag disse data i datatabellen.

Ligesom mange eksperimenter har vores eksperiment visse sikkerhedsproblemer, vi skal observere. De aerosolbrændstoffer, vi bruger, er brandfarlige - vi bør være sikre på at lukke kartoffelpistolens fyringshætte sikkert og at bære tunge handsker, mens du antænder brændstoffet. For at undgå utilsigtede skader fra projektilerne bør vi også sørge for, at vi (og eventuelle observatører står til siden af pistolen, da det brænder - ikke foran det eller bagved det.

Billedet med titlen Conduct a Science Experiment Trin 12

5. Analyser dataene. Lad os sige, at vi fandt, at hårsprayen i gennemsnit skød kartoflerne længst, men madlavningssprayen var mere konsekvent. Vi kan repræsentere disse data visuelt. En god måde at repræsentere det gennemsnitlige område for hver spray er med a søjlediagram, Mens A scatter plot eller boks plot er en god måde at vise variationen i hvert brændstofs fyringsområder.

Billedet med titlen Conduct a Science Experiment Trin 13

6. Gøre dine konklusioner. Reflektere over dine eksperimentelle resultater og give nogen støtte statistik. Baseret på vores data kan vi med tillid med tillid til, at vores hypotese var korrekt. Vi kan også sige, at vi opdagede noget, vi ikke forudsagde - at madlavningssprayen producerede de mest konsekvente resultater. Vi kan rapportere eventuelle problemer eller snafus, vi stødte på - lad os sige, at maling fra sprøjtemalingen bygget op inde i kartoffelkanonens fyrkammer, hvilket gør gentagen fyring vanskelig. Endelig kan vi anbefale områder til videre forskning - for eksempel måske med større mængder brændstof, vi kan opnå større rækkevidde.

Vi kan endda dele vores resultater med verden i form af et videnskabeligt papir - givet emnet for vores eksperiment, det kan være mere hensigtsmæssigt at præsentere disse oplysninger i form af et tri-fold videnskab Fairdisplay.